锂金属由于其超高的比容量（3860 mAh g-1）和极低的氧化还原电位（-3.04 V）一直以来被人们视为二次电池材料中的圣杯。然而，锂金属电极在循环过程中易形成不稳定的固态电解质层（SEI）和针状的锂枝晶，导致库伦效率低、循环性能差，甚至带来严重的安全隐患，极大地阻碍了其实际应用。
近日，南京大学化学化工学院金钟教授带领的“清洁能源材料与器件”研究团队设计了一种基于牺牲模板热熔法构筑和纳米晶种修饰的三维多孔铜骨架用于稳定循环的锂金属负极集流体。用该方法获得的锂金属复合电极所组成的对称电池在1.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2的条件下能稳定循环1300 h而不表现出明显的电压迟滞。此外，基于这种锂复合负极和磷酸铁锂正极的锂电池也展现出高库伦效率、优异的循环稳定性和倍率性能。相关研究成果以“Template-Sacrificed Hot Fusion Construction and Nanoseed Modification of 3D Porous Copper Nanoscaffold Host for Stable-Cycling Lithium Metal Anodes”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上（论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202102735）。南京大学化学化工学院硕士研究生林慧楠、张泽文和王耀达为论文的共同第一作者。
该团队设计了一种牺牲模板热熔构筑策略，实现了三维多孔铜纳米骨架的便捷制备，并通过蒸镀法实现了金纳米晶种对于铜骨架的均匀修饰（图1）。所制备的三维铜纳米骨架具备较大的比表面积和孔体积，不仅可以容纳大量的金属锂，而且有助于缓解在循环过程中锂负极较大的体积变化。而均匀分散的金纳米晶种则极大地改善了金属锂对于铜骨架的润湿性，从而有助于减小锂金属负极的电压极化，提升其电化学动力学性能。通过一系列的测试和表征，证实在循环过程中金纳米晶种会与金属锂发生合金化反应，引发了零形核势垒的锂金属均匀沉积行为，从而获得了光滑致密、无枝晶的锂沉积形貌（图2）。通过对于锂-铜半电池、锂-锂对称电池和锂-磷酸铁锂全电池的性能测试，充分证明金纳米晶种修饰的三维多孔铜骨架作为锂金属负极基体材料的显著优势（图3, 4）。该工作为构建安全、稳定的锂负极和发展高能量密度的锂金属电池提供了新的策略和思路。
图 1 金纳米晶种修饰的铜纳米骨架实现均匀锂沉积的示意图和对其形貌及结构的表征
图 2 金纳米晶种修饰的铜纳米骨架的润湿性测试、锂金属的零形核电势测试和合金化反应的证明
图 3 不同锂金属电极所组成的对称电池的循环性能对比
图 4 不同锂金属负极所组成的磷酸铁锂全电池的循环性能对比
该研究工作得到了国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才项目、国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划、JW科技委GF科技创新特区项目、ZB预研教育部联合基金青年人才项目、江苏省杰出青年基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
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